地壳变形和地壳运动

非永久性变形—地震  连续性变形—褶皱   不连续变形—断裂

水平运动    垂直运动  新构造运动

非永久性变形—地震

  地震是最具毁灭性的地质灾害,许多大地震今天说来仍令人心碎和胆寒。1755年11月1日葡萄牙里斯本地震,六分钟之内全城倾覆。1906年4月18日美国加利福尼亚地震,使旧金山市遭灭顶之灾。1960年5月21日至25日智利地震使智利的地形貌几乎完全改观,海面上出现4.5m高的巨浪,远达美国、新西兰、菲律宾、日本等地。1976年7月28日我国唐山地震,24万生命殁于瓦砾,16万人顿成伤残。

  构造地震是地壳深处积聚的能量突然释放的结果,即:一旦积聚的弹性应力超过了岩石的强度极限,岩石突然破裂,产生一个冲击力。这种地下冲击以弹性波的形式向四周传播,称地震波,可分为三种。振动方向与地震波前进方向一致的称纵波,平均速度8-10km/sec;振动方向与地震波前进方向垂直的称横波,平均速度4-5km/sec。地震台可根据收到这两种波的时差及它们穿过地壳各岩层的折射和反射情况计算震中的距离和震源深度。还有一种地震波叫地面波,振动方向与重力方向一致,由震中向外传播,速度最慢(一般小于1km/sec),但对地表的破坏和人类的生存危害最大。

  构造地震是深部的岩石破裂引起的,地震又使地表形成规模不等的破裂带。我国最早研究的地裂缝是1954年2月11日甘肃山丹地震,在震中区的地表出现一条长达20km的大破裂带,由许多裂逢组成,走向近北西西,与当地的主构造线近于一致,也与山脊的延伸方向一致。1891年日本的美浓一尾张地震,在地表形成近百公里长的破裂带,断裂两侧的相对水平位移达4m,局部地区的垂直位移可达7m。在地震波及的广大区域内(常以万平方公里为数量级),岩层只是传递应力(弹性波传播的介质)而没有造成永久性的变形(除形成地裂逢的震中区外)。

  地震除了发生在陆地上外也可发生在海洋里,伴随以海浪高达十几米的海啸。海震常使海底地形发生改变,使铺设好的海底电缆发生折断和移动。因海底电缆的折断而发现了深海浊流活动,引出了沉积学上的一个全新概念:原认为因地壳的振荡运动而形成的韵律式沉积实际上是快速的侧向加积的产物。

连续性变形—褶皱

  到野外去观察岩层,既可看到它们是平展展地一层叠一层的产出,也可看至它们已发生了弯曲,但岩层的连续性和完整性还没有破坏,称褶皱变形。单个的弯曲称褶曲。如果我们假想一个面把褶曲分为对称的两个部分,可发现这个面可能是直立的、歪斜的甚至是平卧的。有时这个面不是平面而是曲面,说明岩层已经受了至少两期褶皱变形。据地层的新老关系把褶曲分为两类:老地层位于核部新地层位于两翼的叫背斜,即地层相背而斜;新地层位于核部老地层位于两翼的叫向斜,即地层相向而斜。

  一系列褶曲连在一起组成褶皱,褶皱的规模不一,形态各异,还常能见到大褶皱里套着小褶皱,新褶皱里包着老褶皱;大多数褶皱表现为曲线,流畅飘逸,也有的褶皱表现为折线,有棱有角,挺拔潇洒。尤其是在由不同颜色、不同粒度的岩层间互的情况下,褶皱象是大自然的墨宝,为许多奇石爱好者观赏和收藏。

  几百米甚至上千米厚的岩层能发生这样强烈的褶皱,层间滑动起了决定性的作用。就象弯曲一本书那样,在平行书脊的方向上很容易使书弯曲,因为书页间互相滑动,要使书脊发生弯曲就困难了。这类褶皱称弯曲褶皱,岩层的层面未受破坏。岩层在高温高压下发生粘滞性流动也可以形成褶皱,其形态复杂,形状无一定规律,称流动褶皱。这类褶皱中岩层的原始层面已遭破坏。

  说褶皱是连续性变形也只是相对的,因为整体的连续中还包含着局部的不连续,如褶皱的转折部位常有规模不等的张裂隙发育,此外,还有一种剪切褶皱,由一系列与层面不平行的剪切面发生有规律的差异活动而造成。

 

不连续变形—断裂

  顾名思义,断裂是指岩层被断错或发生裂开。据其发育的程度和两侧的岩层相对位错的情况把断裂分为三类。一类叫劈理,是微细的断裂变动,还没有明显破坏岩石的连续性。最常见的劈理是在褶曲的核部发育的轴面劈理,常呈扇形(以褶皱轴面为对称轴)。第二类称节理,是岩层发生了裂开但两盘岩石没有发生明显的相对位移的断裂变动。按其形成的力学性质,节理可分为张节理和剪切节理。节理常成组出现,如“X”-形的共轭节理。如果断裂两盘的岩石已发生了明显的相对位移,则称断层,是最重要的一类断裂。

 

  按两盘相对运动的方向,断层可分为基本的三类;正断层、逆断层和平推断层。上盘相对下降、下盘相对上升的断层称正断层,断层面倾角一般较陡。上盘相对上升、下盘相对下降的断层是逆断层,断层面倾角变化较大,从陡倾到近水平。一系列低角度逆断层组合起来,被冲断的岩片就象屋顶上的瓦片那样一个叠一个,可形象地称为叠瓦状构造。如果断层两侧的岩石不是沿断层面上下移动而是沿水平方向移动,则称平推断层。如果把这三类断层与形成的构造应力联系起来,通俗地说,正断层由拉张应力引起,逆断层是挤压应力的结果(故常造成地壳的缩短),平推断层则与剪切应力有关,其断层面常近直立。

  以上讨论的主要是脆性断裂情况,其断裂面是看得见摸得着的。还有两类断裂的断裂面则是看得见却不一定摸得着的。塑性断裂是岩石塑性变形的产物,象流劈理,是因片状或板状矿物的平行排列而使岩石能够分裂成许多平行薄片的构造。粘滞性断裂是岩石在高温、高压下发生粘滞性流动的结果,原岩的结构已完全破坏,原来组成岩石的矿物发生转动并伴有重结晶和再排列作用,形成片理、片麻理和新生面理等。因此,说断裂是不连续变形同样只具相对的意义。

水平运动

19世纪末20世纪初的认识

  地壳巨大的水平运动最先在欧洲的阿尔卑斯山发现。一个叫海姆的人,1878年的文章里阐述了老岩石逆掩在年青岩石上的事实。之后,对平卧褶皱的研究证实了海姆的观点,并发现地层的水平移动距离可达数百公里。也在1878年,都布勒在他的实验箱里用侧向加压的方法模拟了非对称褶皱。

  在明确了阿尔卑斯的构造后,下一步的工作是恢复该山脉的形成历史。阿尔冈1916年的“论西部阿尔卑斯”一文是又一个里程碑,它不仅把平卧褶皱、逆冲断层和推覆体与造山作用联系起来,而且指出了这种宏伟的造山运动所需要的时间是相对短暂的。因此,它承认居维叶的学说中有正确的方面,批判了莱伊尔的均变论。

 

  前面提到的魏格纳的大陆漂移假说可以说是第一次把水平运动说推向了高峰,因为它认为泛大陆裂解后的陆块漂移出去上千公里才能形成现在的洋陆构造格局。大陆漂移说1915年提出后在学术界引起了巨大的震动,但很快就“盛极而衰”,30年代初它已近乎消声匿迹。一个原因是其证据尚不充分,大陆漂移的机制也不清楚,另一个原因是沉积建造的研究使垂直运动的重要性又得到强调。至60年代,地槽-地台学说达到全盛,垂直运动说也达到全盛。同样,它也很快“盛极而衰”了--板块学说的出现使水平运动说重又占据了主导的学术地位。

  回顾近一个世纪里水平运动说与垂直运动说的论战,是不是可以用“30年河东、40年河西”来形象地说明?

板块构造中的水平运动

  太平洋地区海底构造加拿大地质学家威尔逊把板块构造的演化划为六个阶段:1)东非裂谷阶段:大陆地壳发生破裂,两侧的大陆块相背运动;2)红海阶段:由大陆裂谷发展为陆间裂谷,出现了新生洋壳和扩张的洋中脊;3)大西洋阶段:一个开阔的洋盆形成;4)太平洋阶段:洋壳开始消减;5)地中海阶段:经消减后的残留洋盆;6)喜马拉雅阶段:洋盆闭合后两侧的大陆发生碰撞。这一板块运动的程式常被称为威尔逊旋回。显然,它描绘的是板块的水平运动。 地史时期板块运动的格局,上为晚石炭世;中为第三纪始新世;下为第四纪早期

  一旦洋壳出现,洋底扩张就在板块的水平运动中起了最重要的作用。地幔物质在洋中脊涌出,并把先涌出的地幔物质推向两侧。作为地质记录,它就是蛇绿岩中的席状岩墙群。反映在地磁记录上,就是磁异常条带由中脊向两侧逐渐变老。随大洋的打开,两侧的大陆块是相背运动的,不过与“大陆漂移”不同。形象地说,在板块学说那里,大陆象是在“传送带”上被“搬运”的。

地质应力的作用  当然,象大西洋这样一个大洋,洋中脊不可能是一条直线,或者说,洋底是一段一段地扩张的,它们之间被横向的剪切断层相连。这类断层有一个专门的名词,叫转换断层。随洋壳的消减,洋中脊逐渐向陆接近,转换断层可能发育在大陆边缘地区,象美国西海岸的圣安德列斯断层。这样的断层常有上百公里的水平位移距。

  作为一种新的全球构造观,板块学说提出了大量的地壳水平运动的确凿证据(包括发生在大洋里的和大陆上的)。尽管它也受到了来自各方面的强烈反对,它的命运毕竟比大陆漂移说好得多了:几十年过去了,板块学说依然显示着它强大的生命力。

构造地层地体学说中的水平运动

  构造地层地体学说诞生于北美大陆的西海岸地区。所谓地体,是以断层为边界的、其地质记录明显有别于邻侧地区的这样一个构造单元。地体的提出主要基于两方面的证据,一是古生物,即西海岸的化石组合不同于北美克拉通,二是古地磁,这些地体一概来自赤道附近或南半球,在向北的运动中先互相拼合,然后增生到原地的北美克拉通上。形象地说,北美克拉通象一个码头,规模各异的地体就象大大小小的船,先靠上码头的船成了后来的船的码头。不管先来后到,靠码头的方式是一致的:由南而北小角度地与北美克拉通会聚拼合。

泛大陆示意图  至于这些地体来自何方则还有不同的假想。有人认为太平洋东、西两侧的化石群是一样的,所以假定在赤道附近(或南半球)曾有过一个太平洋古陆,这个古陆破碎分裂后的残块就向北漂,有的拼贴到北美大陆边缘有的拼贴到亚洲大陆边缘。有人否认太平洋古陆,认为只是南美大陆边缘的东西被向北运移了,最后拼贴到了北美大陆边缘;所谓生物群的不同,是纬度控制的水温、气温造成的。在北美的东海岸也可以找到类似西海岸那样的地体,比如佛罗里达。这个半岛直观上象是“黏”在北美大陆上的,古地磁资料也证实它是来自南边的,是增生在北美大陆上的。

  构造地层地体的概念是80年代初提出来的。它一面世即受到“地体与板块两者的关系”这一问题的困扰。归结起来,有三种观点。一种认为地体可以取代板块,因为阿拉斯加由50来个地体组成,北美西部有200多个地体,整个北美大陆可划出1500多个地体,称之地体构造或地体学。第二种观点认为地体是具体而微的板块,因而地体构造代表板块学说进入了一个新的发展阶段。第三种观点则认为板块还是板块,只是北美西海岸的地质构造有其特殊性,所以需要地体来补充。

  不管怎么说,构造地层地体概念的提出是有积极意义的。它使古生物地层学重现在地质研究中的重要性,因为在板块构造初期,许多人认为地质学由历史的科学变成了物理的科学,因而古生物学可以不要了,普林斯顿大学干脆把化石标本都倒掉了。此外,它还提出了一种新的造山作用类型即剪切型造山带,形象地说,就是泊位式(船靠码头式)的造山,而不是洋盆闭合后两个大陆块面对面的碰撞造山。

垂直运动

从火成论到地槽-地台学说

  由于在萨克森、维苏威等地见到了貌似黑煤的玄武岩的流动和侵入含化石的沉积地层等现象,玄武岩和花岗岩等曾是火一样燃烧的熔融流体的设想被许多人接受,因而19世纪初期开始火成论逐渐占了上风。人们可以用地球深处是热的这一思想来解释许多地质的和地貌的现象。其中一个叫普拉特的人,研究了印度的高原后,认为深部物质的热膨胀使浅部的岩石上浮,形成了高原或山脉,这就是普拉特的地壳均衡的假说。艾里则提出了另一个地壳均衡的假说,他认为高原或山脉既然密度小,就应该有一个“山根”才能保持稳定,就象船一定得有一部分浸在水中才能使船浮在水上那样。

  1842年,罗杰斯兄弟以“关于说明助长火山上升规律的阿帕拉契亚山脉的构造”为题发表演讲,认为这个山脉上升的原因是被挤入地下的瓦斯突然逸出,在地壳因挠曲而突然上升的同时也发生了龟裂。霍尔则在经过了长期的野外调查并与北美中部平原作比较后,提出阿帕拉契亚是地球表面一个特殊的沉积区:由于地壳的可塑性,其上堆积的沉积物的重量能使之不断沉降,因而可以形成巨厚的(几千米~2万米)的沉积。这一想法被丹纳发展为地槽。

  地槽的演化一般要经历三个阶段。第一阶段是强烈下沉,伴随以基性-超基性岩活动。第二阶段是上升隆起,沉积地层因挤压而褶皱,伴随以花岗岩侵入和区域变质作用。最后,地槽就褶皱回返而成为高耸的山脉,山前或山间有磨拉石堆积。可以看到:在这个地槽演化的全过程(称构造旋回)中,垂直运动自始至终是占主导作用的。

  板块学说出现以后,仍有人坚持垂直运动的理论,如前苏联的别洛乌索夫。他强调深层的分异作用是大地构造发展的基本动力。对新生代的活化地区,他认为是地壳发育的一个新阶段--玄武岩阶段的特点,并分为三种类型:一是天山式,因差异分割而形成狭窄的隆起和坳陷;二是高原式,地壳普遍而广泛地隆起;三是东非式,在大面积的隆起中发育有狭窄的地堑或裂谷。


 

垂直运动:现代的实例

  世界上最有名的实例是意大利那不勒斯湾塞拉比斯古庙,建于公元前的古罗马时代。古庙的废墟中耸立着三根大理石柱,高12米。从底向上的3.6米石柱表面光滑无痕;再向上2.7米则被虫蛀出许多梨状小孔,有海水浸没的痕迹;其上的石柱仍完好如初。这个古庙显然是建在陆地上的,曾有一段时间因地表下沉,石柱没入海内6.3米(下部的3.6米因被海底泥沙或火山灰掩埋而未受虫蛀)。18世纪时石柱重又升出海面。现在又在下降(可能从19世纪开始),故石柱的基部已浸没在水中了。

  世界上典型的大面积上升的例子见于北欧的斯堪的那维亚半岛,以半岛的内部上升最快。据阶地和海岸线的位置计算的上升速率是0.5米/百年。上升的原因,普遍认为是冰川消融后的减负作用。即:这里原发育大陆冰盖(见前“冰川的恶作剧”一节),实际上加了个沉重的负载。冰川融掉了,这个负载也去掉了,大地象是“苏醒”过来似的,发生大面积上升。

  我国的华北平原则是现代下沉区。在河北昌黎县城附近有一指路石碑,标明离县城2.5km,离海边2.5km,而现在这个碑离海只有1km多了。因为陆地的沉降,原海边的一座古庙已被淹没。也有人用冰川消融来解释这个现象,认为冰川融化后使海平面上升,所以低洼的地方就被海水浸没了,并估计这里的海岸线已向陆推进约23-24km。

  南方的沿海地区则是上升的。在厦门大学的门口有一个海蚀洞,说明厦大的校园区原为海面,故海水能在这里形成海蚀洞。还有一个有趣的例子:原国民党军队修的碉堡(或称地堡,因很矮),现都位于陡坎上。碉堡是不可能修在陡坎上的,因为在堡内的人看不到坎下的人,火力也扫射不到坎下。比较好的解释是:碉堡原来修在沙滩边,前面肯定是相对开阔的,它才能起监视和封锁的作用;后来形成阶地,就把这些碉堡“抬”到坎上去了。这样看,这些阶地形成的年龄不过50岁,还是非常年青的呢!

新构造运动

  所谓新构造运动,是相对地史期间的构造运动而言的,其下限各家认识不一,有说上新世以来的叫新构造,有说第四纪以来的叫新构造(第四纪的下限认识也不一致,国外放在1.64Ma,中国现置于2.48Ma),有人则认为只有几千年或上万年,直接与人类的生存和活动有关。喷涌的岩浆

  新构造研究的内容也较广泛,除水平运动、垂直运动及保存在第四系里的构造变动外,还涉及火山,地震,和为构造作用控制(或与构造作用关联的)外力地质作用,象地表侵蚀、河流袭夺、温泉和地下水活动等。新构造研究的意义是显而易见的:它直接关系到人类的生存环境和各项工程建设,因为人不是树栖穴居的动物。

  火山弹日本可能是世界上新构造活动最强的国家。今天,九重、阿苏、云仙岳等火山还在冒烟,也经常喷点火山弹出来;富士、箱根等可能是休眠火山。日本是个多地震的国家,以至有传说日本的房子是带轱辘的,一地震房子就跑了。这种新构造活动性来自太平洋板块的俯冲和对亚洲的挤压,日本列岛构造上是一岛弧。

  意大利的西海岸也是著名的新构造活动区,维苏威火山是全球著名的“灾害型”火山,还有一座埃特纳火山,前不久还喷发了一次(与我国的张家口地震大致同时)。不过,意大利西海岸火山岩带喷溢的火山岩是高钾的碱性熔岩,与日本岛弧的安山岩迥异。这说明该区不是处于挤压环境而是张裂环境中。该区多地震,除构造地震外还有火山地震,但烈度较低。

  美国西海岸是西半球最强烈的新构造活动区,尤其以地震令人胆寒,也有活火山,象圣海伦斯火山等。美国西海岸最主要的构造是圣安德列斯断裂,是一条巨大的平移断裂,它分开了美洲板块和太平洋板块。换言之,因为洋壳的消减,一部分详中脊及连接洋中脊的转换断层跑到陆地上来了。

冷却的岩浆——我国五大连池新构造运动的产物  陆内也有许多新构造活动区。中国黑龙江的五大连池、吉林长白山和云南腾冲等是第四纪火山活动区,京津唐、川西、云南等则是地震多发区。青藏高原现今的地貌,也是新构造运动造成的,被视作地球的第三极。青藏高原的大面积隆起对大气圈环流、印度洋暖湿气流的北行都有重要影响。

  当然,新构造运动除造成灾害和对工程建设带来了不利外,也有它积极的一面。在陆内,新构造活动中蕴含了地热、温泉或矿泉、旅游等资源。在沿海地区,强烈的沉积可造成数千米厚的第四系沉积,在高地热的背景下,这些沉积中的有机质会很快转变成烃类而形成具经济价值的油气资源。